柳 明, 寧 濤, 朱增力
(1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,北京 100191;2. 煙臺新科鋼結(jié)構(gòu)有限公司,山東 煙臺 264006)
鋼格板(鋼格柵板)是用一定間距的扁鋼和橫桿進(jìn)行正交排列,并壓焊成平面呈格柵狀的一種鋼鐵制品(如圖1所示)。其主要用做于排水溝蓋板、鋼結(jié)構(gòu)平臺板、鋼梯的踏步等,具有通風(fēng)、采光、散熱、防爆、防滑、防酸堿腐蝕等性能[1],相對于同用途的傳統(tǒng)材料具有明顯的優(yōu)越性,在冶金、石油、造船、化工、水利、運(yùn)動場館等各行業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前我國從事鋼格板生產(chǎn)的企業(yè)有上千家,主要集中在煙臺、寧波、廣州等地及周邊地區(qū)。我國鋼格板年產(chǎn)量大約在40萬噸以上,產(chǎn)品銷往美國、日本、韓國、新加坡、澳大利亞、臺灣等多個國家和地區(qū)[2]。
圖1 鋼格板結(jié)構(gòu)圖
近年來鋼格板需求市場的進(jìn)一步擴(kuò)大以及相應(yīng)的出口貿(mào)易摩擦的頻發(fā),對國內(nèi)鋼格板生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力提出了更高的要求。但是,目前絕大部分鋼格板生產(chǎn)企業(yè)普遍面臨3個主要問題:
首先,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、工具應(yīng)用于鋼格板行業(yè)缺乏針對性。采用AutoCAD、浩辰、中望等通用CAD軟件進(jìn)行鋼格板的布置繪圖設(shè)計(jì)工作量大,存在較多重復(fù)繁冗工作;且中小型企業(yè)采用功能齊全的大型CAD軟件投入產(chǎn)出比欠佳。
其次,工藝優(yōu)化效率不高。優(yōu)化排料占據(jù)了鋼格板設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化過程中近40%的工作量,直接影響了鋼格板的生產(chǎn)效率。由于現(xiàn)有CAD軟件和排料系統(tǒng)無法集成應(yīng)用于鋼格板工藝過程的設(shè)計(jì);人工計(jì)算排料不僅效率低,正確率也很難保證。因此優(yōu)化排料問題是鋼格板企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程中的一個瓶頸。
最后,設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與管理的信息孤島問題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、工具無法應(yīng)對企業(yè)日益增長的各類數(shù)字化需求。企業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)系統(tǒng)相對孤立,設(shè)計(jì)信息無法被工藝、打包等生產(chǎn)過程所共享利用。
綜上所述,利用現(xiàn)有數(shù)字化技術(shù)提高鋼格板的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率是整個鋼格板行業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問題。由于鋼格板的設(shè)計(jì)要符合國標(biāo)準(zhǔn),因此其繪圖設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的規(guī)律性,如同平臺板型號基本一致,間隙基本固定,寬度、長度等可按型號進(jìn)行選取等等。充分利用這些規(guī)律可大大提高設(shè)計(jì)效率,為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的數(shù)字化提供了可行性。本文論述的鋼格板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化排料系統(tǒng)集成鋼格板智能化繪圖、交互與自動結(jié)合的排料算法、工作量自動統(tǒng)計(jì)、自動生成打包發(fā)貨方案等功能,為鋼格板設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供了完整的解決方案。
鋼格板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化排料系統(tǒng)以自主開發(fā)的二維CAD系統(tǒng)為平臺集成了針對鋼格板的設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化等諸多功能。其基本功能涵蓋了目前通用CAD軟件的絕大部分常用操作,包括:圖形繪制(各種圖元)、圖形編輯、視圖變換(平移、鏡像、放縮等)、尺寸標(biāo)注、兼容AutoCAD的圖案填充、陣列、DXF文件讀入、兼容AutoCAD的線型等[3]??蛇M(jìn)行復(fù)雜圖紙的設(shè)計(jì)與編輯,滿足鋼格板的鋼梁繪制、間隙標(biāo)注、板號設(shè)置等設(shè)計(jì)要求。同時,針對鋼格板設(shè)計(jì)與優(yōu)化的特殊需求,系統(tǒng)增加實(shí)現(xiàn)了自動區(qū)域布板、批量尺寸標(biāo)注、批量間隙調(diào)整、工藝優(yōu)化計(jì)算、排料圖繪制與交互調(diào)整、工作量與工藝方案導(dǎo)出等客制化功能。
圖2 系統(tǒng)功能流程圖
系統(tǒng)功能層面可分為CAD與CAM兩個模塊(如圖2所示),實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM集成與信息共享。在設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)人員將客戶的鋼梁布置圖導(dǎo)入系統(tǒng)或在系統(tǒng)中手工繪制鋼梁圖(即布板邊界圖),隨后進(jìn)行自動區(qū)域分割,選定布板區(qū)域自動生成鋼格板,同時系統(tǒng)自動編號并可產(chǎn)生BOM信息表。BOM表為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換處理的核心,是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過BOM表可提取相關(guān)信息自動導(dǎo)出Excel工作量統(tǒng)計(jì)表,以便企業(yè)對工人進(jìn)行績效評估。
設(shè)計(jì)方案完成后,設(shè)計(jì)信息傳輸至CAM模塊。系統(tǒng)可根據(jù)共享信息與排料優(yōu)化算法對下料方案進(jìn)行多次自動優(yōu)化計(jì)算,并生成可視化的排料示意圖以供生產(chǎn)人員參考安排生產(chǎn)計(jì)劃。同時產(chǎn)品的幾何、物理信息可被系統(tǒng)利用,計(jì)算生成合理的打包發(fā)貨方案,顯著縮短生產(chǎn)交貨周期。
CAD/CAM集成與信息共享的優(yōu)勢同時還體現(xiàn)在本系統(tǒng)與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的接口。系統(tǒng)生成的工作量統(tǒng)計(jì)表、工藝方案等都可按特定的數(shù)據(jù)排列格式生成Excel文件并導(dǎo)入管理信息系統(tǒng)。有助于中小型企業(yè)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理的信息共享。
系統(tǒng)CAD模塊的主要圖元類有CRefCur、CRefPt、CDim等,都繼承自CEntity。由這些類實(shí)現(xiàn)基本的線、點(diǎn)、標(biāo)注的繪制。CBlock(圖塊類)定義了一個CEntity對象的聚合,可通過它的子部件調(diào)用各自函數(shù)實(shí)現(xiàn)繪制。而CTable、CSG、CRaw則是系統(tǒng)針對鋼格板設(shè)計(jì)開發(fā)的圖元類。CSG實(shí)現(xiàn)了鋼格板特征的繪制,包括板號、扁鋼方向、橫桿數(shù)、扁鋼數(shù)等基本信息。設(shè)計(jì)信息由CTable實(shí)現(xiàn)匯總處理后生成材料明細(xì)表(BOM),并傳輸至CAM模塊。最終CRaw負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的可視化,即排料示意圖的繪制與交互調(diào)整等。
鋼格板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程為:繪制鋼梁圖、設(shè)置間隙、分割區(qū)域布板。一般情況下由客戶提供備鋪設(shè)區(qū)域的鋼梁布置圖。在邊界(即鋼梁)與間隙(出于產(chǎn)品裝配考慮的預(yù)設(shè)間隙)約束下進(jìn)行區(qū)域分割。這個過程可認(rèn)為是在原材料幾何尺寸或承載應(yīng)力的限制下將二維信息產(chǎn)品化。最后,在劃分的子區(qū)域中依照形狀尺寸標(biāo)注產(chǎn)品號(板號)加以區(qū)分[4]。該步驟重復(fù)工作量較大,設(shè)計(jì)效率不佳。
本系統(tǒng)采用區(qū)域分割與自動布板算法對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了全程優(yōu)化。在系統(tǒng)中采用自動區(qū)域等距、等角度分割的方法代替了人工方案劃分。分割算法對矩形或扇形區(qū)域進(jìn)行滿寬度(原材料寬度)等分,從區(qū)域A的始邊界起按順序進(jìn)行n次切割直至末端邊界,將最后不滿足等分量v的部分置為余量s,得出區(qū)域根據(jù)不同的原材料尺寸可對v進(jìn)行調(diào)整并再次計(jì)算,因此最大限度的提高了原板的利用率并減少了后續(xù)的加工工序。
系統(tǒng)對設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)優(yōu)化的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)了對選定區(qū)域進(jìn)行自動批量布板并生成產(chǎn)品板號(如圖3所示)。界面操作流程為框選一個區(qū)域并執(zhí)行功能,該矩形區(qū)域即為自動布板算法的輸入信息。系統(tǒng)會以框選矩形區(qū)域的左下角點(diǎn)(box.min[0],box.min[1])為起始點(diǎn),以step=0.2m為單位步長沿X、Y方向進(jìn)行掃描。一旦掃描點(diǎn)(x,y)檢測到還未鋪設(shè)鋼格板的封閉子區(qū)域便會自動創(chuàng)建板特征。最后確認(rèn)該板特征的包圍盒是否有超越矩形區(qū)域的情況,并將特征正式加入實(shí)體集。該掃描過程的簡化算法如下:
圖3 自動布板算法流程圖
while( y< box.max[1]- 0.5*step )
{
x = box.min[0]+ 0.5*step ;
while( x < box.max[0]- 0.5*step )
{
If (IsInSG(x,y)== FALSE)
//判斷掃描點(diǎn)此時所在區(qū)域是否還未布板
pSG = CreateSG(x, y); //創(chuàng)建鋼格板
……
x += step ;
}
y += step ;
}
鋼格板BOM信息表是連接設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中鋼格板的板號、幾何尺寸、質(zhì)量等基本信息不可避免地要經(jīng)過手工收集、計(jì)算。而本系統(tǒng)可以板特征為識別方式對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行篩選處理。板特征包含全部基本信息,以及由此衍生的扁鋼數(shù)、橫桿數(shù)、扁鋼厚度、橫桿間距等相關(guān)工藝信息。系統(tǒng)確認(rèn)備選信息源后可自動生成BOM表,從而為模塊間的集成架設(shè)了橋梁。
系統(tǒng)的工作量統(tǒng)計(jì)以BOM表為直接處理對象,可對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行二次提?。和ㄟ^板號對異形與矩形板加以分類處理;通過扁鋼方向?qū)M向隔焊與縱向滿焊進(jìn)行計(jì)算;通過幾何信息對接板料與異形板的切割長度進(jìn)行計(jì)算(如圖4所示)。普通的鋼格板產(chǎn)品為平面矩形,因此可通過計(jì)算包圍盒區(qū)分通用與異形設(shè)計(jì)。板特征輪廓與包圍盒不重合部分即為非規(guī)則邊界,可定性為異形板(如圖5所示)。進(jìn)而標(biāo)記輪廓中的該曲線計(jì)算出其長度信息。整個過程完全取代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中的人工計(jì)算處理。工作量統(tǒng)計(jì)信息匯總完畢后可按指定格式導(dǎo)出Excel文件,以導(dǎo)入企業(yè)管理信息系統(tǒng)。
圖4 工作量統(tǒng)計(jì)算法流程圖
圖5 通過包圍盒識別異形板開口
鋼格板由扁鋼與橫桿壓焊而成,縱向、橫向材料加工工藝不同。這一特殊性質(zhì)決定了它不同于普通的二維型材。因此,在設(shè)計(jì)階段就要涉及到生產(chǎn)原板所需的扁鋼、橫桿規(guī)格及數(shù)量等相關(guān)參數(shù)。這不僅增加了設(shè)計(jì)難度,同時也提出了如何提高鋼格板下料利用率問題。目前大部分企業(yè)采用人工計(jì)算下料方案,不僅需要耗費(fèi)大量的時間精力,同時也對相關(guān)人員的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了很高的要求。因此,相當(dāng)一部分工藝方案無法滿足生產(chǎn)需求,方案可調(diào)性、兼顧生產(chǎn)效率等指標(biāo)不盡如人意。
針對這些問題,本系統(tǒng)提出了基于混合遺傳算法的鋼格板自動優(yōu)化排料解決方案?;旌线z傳算法既有基本遺傳算法概率意義上以隨機(jī)方式尋求問題最優(yōu)解的優(yōu)勢,同時又融合了基本優(yōu)化算法較強(qiáng)的局部搜索能力,增加了編碼變化操作過程,提高了優(yōu)化計(jì)算的運(yùn)行效率和求解質(zhì)量[5-6]。可應(yīng)用于鋼格板工藝設(shè)計(jì)中近似線材的大規(guī)模優(yōu)化計(jì)算。
系統(tǒng)通過對BOM信息加以提煉篩選后生成排料控制表作為工藝優(yōu)化的界面操作對象。控制表可實(shí)現(xiàn)參與排料計(jì)算的產(chǎn)品的入口控制并動態(tài)跟蹤其狀態(tài)變化。開始計(jì)算后設(shè)計(jì)信息便會被引入以線材計(jì)算為核心并兼顧寬度的下料優(yōu)化算法。具體步驟可歸納如下:
步驟1 參數(shù)設(shè)置。讀取包括橫桿數(shù)、橫桿間距、扁鋼數(shù)、扁鋼間距、厚度、本次計(jì)算的尺寸控制范圍(最大寬度、最小寬度)等參數(shù)信息。
步驟2 讀入已選擇的板信息并篩選。結(jié)合排料控制表讀取已選擇的板特征信息,并按先前設(shè)置的尺寸控制范圍剔除需求外的板特征。
步驟3 排序與寬度優(yōu)化。將讀入的信息轉(zhuǎn)化為特定數(shù)據(jù)類型并按長度進(jìn)行排序。對排序后數(shù)據(jù)以寬度為對象進(jìn)行初步優(yōu)化,即確定并行下料的配對關(guān)系。
步驟4 進(jìn)行線材優(yōu)化。對于已確定并行配對的鋼格板作為單個單位與其他板按長度進(jìn)行線材優(yōu)化,最終生成優(yōu)化結(jié)果文件。
系統(tǒng)可對優(yōu)化完畢的結(jié)果文件進(jìn)行讀取,以可視化的排料圖呈現(xiàn)出優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。此時設(shè)計(jì)人員也可視情況對排料圖進(jìn)行交互修改。確認(rèn)無誤后可根據(jù)交互后的結(jié)果導(dǎo)出工藝方案發(fā)送生產(chǎn)。
本系統(tǒng)已在煙臺某鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)得到生產(chǎn)應(yīng)用。以實(shí)施本系統(tǒng)后承接的某平臺鋪設(shè)項(xiàng)目為例:共有布板平臺8個,總設(shè)計(jì)面積523.57m2。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果為:鋼格板326塊、型號(板號)39種,共需6m~7m原板65塊(如圖6所示)。
系統(tǒng)最終試運(yùn)行評估結(jié)果如表1所示。綜合系統(tǒng)初步計(jì)算結(jié)果與后期人工調(diào)整部分,保守估計(jì)應(yīng)用本系統(tǒng)后可節(jié)省35%的工作量。
圖6 某項(xiàng)目的工藝優(yōu)化排料圖
表1 系統(tǒng)應(yīng)用情況評估
鋼格板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化排料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鋼格板設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的信息共享,集成了設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化等功能。對我國鋼格板生產(chǎn)企業(yè)采用的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具與生產(chǎn)方式具有一定的借鑒意義。實(shí)踐證明采用本系統(tǒng)提出的功能劃分與生產(chǎn)模式可大幅提高生產(chǎn)率,進(jìn)一步提升了中小型企業(yè)的信息化水平。
另一方面,如何進(jìn)一步提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能的自動化水平是本系統(tǒng)下一步的開發(fā)重點(diǎn),即將區(qū)域分割與自動布板功能整合,力求實(shí)現(xiàn)根據(jù)工藝要求對設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行自動化產(chǎn)品劃分與調(diào)整。
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